МОТОР-КОЛЕСО

Изобретение относится к автомобильной технике, а конкретно к колесам со встроенными электродвигателями и редукторами, и может быть использовано в качестве колеса автомобиля с прямым приводом без трансмиссии.

Известно мотор-колесо, содержащее встроенную в колесо асинхронную электрическую машину, при этом статор с магнитопроводом неподвижно закреплен на оси колеса, на магнитопроводе статора размещены магнитные элементы, ротор установлен подвижно на оси колеса и имеет магнитопровод с короткозамкнутыми обмотками (Макаров Ю.В., Черепанов В.Д. Мотор-колесо. Патент России 2334626, МПК В60К 7/00, 2008.09.27) [1].

Известное мотор-колесо имеет недостаточный пусковой момент, сложную систему управления и низкий КПД.

Известно мотор-колесо, содержащее обод, вал, электропривод с электродвигателем и источником регулируемого напряжения, статор электродвигателя жестко закреплен на полом валу, на статоре размещены катушки обмоток, ротор соединен с ободом колеса и подвижно закреплен на подшипниках и на валу, имеет магнитопровод с постоянными магнитами, размещенными равномерно с чередующейся полярностью магнитов, две группы коллекторов, электрически подключенных к источнику питания (Шкондин В.В., Молчанов К.В. Мотор-колесо. Патент России 2035114, МПК Н02К 23/00, В60К 7/00, БИ 13, 1995.05.10) [2].

Известное мотор-колесо имеет сложную конструкцию, низкий КПД и значительные нагрузки на подшипники вала.

Известен синхронный электродвигатель с магнитной редукцией, содержащий корпус, пакет статора с зубцами и с многофазной обмоткой, ротор быстрого вращения с постоянными магнитами и с подшипником, ротор медленного вращения на валу с подшипниками и статор имеют чередующиеся диски, состоящие из ферромагнитных и немагнитных элементов в виде секторов, постоянные магниты имеют вид секторов и намагничены аксиально с чередующейся полярностью, пакет статора выполнен в виде двух колец из ленты электротехнической стали путем навивки, расположенных по торцам электродвигателя, накладные зубцы с катушками и коронками установлены на торцевой поверхности кольца пакета статора, на поверхности другого кольца имеются клиновидные выступы, имеющие свои одинаковые угловые размеры и положения с ферромагнитными элементами дисков статора, причем количества ферромагнитных элементов на диске статора z_c и на диске ротора медленного вращения z_p связаны равенством z_p-z_c±2р, где р - число пар полюсов обмотки статора, а угловые размеры ферромагнитных элементов дисков статора и ротора медленного вращения различны, отличающийся тем, что подшипник ротора быстрого вращения установлен на валу ротора медленного вращения, а толщина постоянных магнитов h_M на роторе быстрого вращения определяется соотношением h_M=2mδ, где δ - зазор между дисками, m - число дисков ротора медленного вращения. (Афанасьев Анатолий Юрьевич, Макаров Алексей Витальевич, Березов Николай Алексеевич. Синхронный электродвигатель с магнитной редукцией. Патент РФ №2604058, МПК Н02К 16/02, Н02К 19/24, Н02К 19/06 опубл. 2016.12.10, Бюл. №34) - [3].

Этот электродвигатель трудно встроить в автомобильное колесо.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по конструкции и достигаемому эффекту является мотор-колесо, содержащее шину, обод, полую ось, электропривод с источником регулируемого напряжения и электродвигателем, состоящим из закрепленного на полой оси статора с катушками обмоток, размещенных группами с фиксированным угловым расстоянием между катушками, ротор, соединенный с ободом колеса и подвижно закрепленный на подшипниках на оси, имеющий магнитопровод с основными, с чередующейся полярностью, постоянными магнитами, размещенными равномерно на магнитопроводе, коллектор, который подключен к выходам источника регулируемого напряжения, электродвигатель снабжен датчиками положения ротора, дополнительными магнитами, размещенными между основными магнитами, а статор снабжен расположенными в пространстве между магнитами рядами электрических блоков, каждый из которых содержит диэлектрическое кольцо с контактами и радиатор, в пазах которого установлены секции катушек с обмотками и датчики положения ротора, выводы которых присоединены к контактам диэлектрического кольца и объединены в фазовые секции, при этом все магниты установлены в обоймах, соединены между собой и с ободом колеса, с образованием зазоров, в пространстве которых размещены электрические блоки, причем чередующиеся магнитные поля магнитов направлены навстречу друг другу, а коллектор выполнен в виде блока переключения фазовых секций и блока управления направлением и скоростью вращения двигателя, при этом выводы датчиков положения ротора подключены к контактам колец и через отверстия колец и полой оси подключены к управляющим входам блока управления, а фазовые секции катушек подключены к контактам диэлектрических колец, а в рядах электрических блоков соединены последовательно или параллельно или последовательно-параллельно и через отверстия колец полой оси присоединены к блоку переключения фазовых секций, выходы которого подключены к блоку управления направлением и скоростью вращения колеса (Волегов В.Е. Мотор-колесо. Патент РФ №2156191, МПК В60К 7/00, опубл. 2000.09.20) [4].

Известное мотор-колесо имеет сложную конструкцию и малый вращающий момент, что требует введения механического редуктора и усложняет реализацию.

В современных мотор-колесах существуют проблемы обеспечения высокой надежности, упрощения конструкции, снижения неподрессоренной массы колеса, устранения механических контактов в редукторе.

Технический результат, на достижение которого направлено заявленное изобретение, заключается в создании эффективного и надежного мотор-колеса со следующими свойствами: простая конструкция, улучшенные энергетические показатели, повышенный вращающий момент, бесконтактность редуктора, ускоренные операции монтажа и демонтажа колеса.

Технический результат достигается тем, что в мотор-колесо, содержащее шину, обод и диски колеса, полую ось, насаженную на полуось автомобиля, электродвигатель, состоящий из закрепленного на полой оси статора с катушками обмотки, размещенных с фиксированным угловым расстоянием, ротор, соединенный с ободом колеса и подвижно закрепленный на подшипниках на оси, и датчик положения ротора, введены чередующиеся диски ротора и статора, состоящие из ферромагнитных и немагнитных элементов в виде секторов, магнитопроводы статора выполнены в виде двух колец из ленты электротехнической стали путем навивки, расположенных по торцам мотор-колеса, накладные зубцы с коронками и с катушками установлены на торцевых поверхностях магнитопроводов, на торцевых поверхностях коронок имеются клиновидные выступы, которые совместно с ферромагнитными элементами дисков статора, а также ферромагнитные элементы дисков ротора имеют свои одинаковые угловые размеры и положения, причем количества ферромагнитных элементов на диске статора z_c и на диске ротора z_p связаны равенством z_p=z_c±2р, где р - число пар полюсов статора, ротор быстрого вращения в виде диска с 2р постоянными магнитами в виде секторов, намагниченными аксиально с чередующейся полярностью, установлен с подшипником на полой оси посередине между магнитопроводами, причем толщина магнита h_M=2mδ, где δ - зазор между дисками, т - число дисков ротора, на полой оси мотор-колеса закреплен фланец статора с коническими отверстиями, число которых совпадает с числом конических стержней ступицы автомобиля, насаженной на полуось автомобиля с резьбой для крепления мотор-колеса с помощью винта и шайбы.

Сущность заявленного изобретения поясняется на Фиг. 1-Фиг. 9, где:

Фиг. 1 - продольное сечение мотор-колеса;

Фиг. 2 - ротор быстрого вращения с постоянными магнитами;

Фиг. 3 - диск статора;

Фиг. 4 - диск ротора;

Фиг. 5 - зубцы с выступами и катушками;

Фиг. 6 - форма листов шихтованного ферромагнитного элемента;

Фиг. 7 - схема замещения магнитной системы с одной обмоткой и несимметричным положением ротора с постоянными магнитами;

Фиг. 8 - схема замещения магнитной системы с двумя обмотками и симметричным положением ротора с постоянными магнитами.

Фиг. 9 - ступица автомобиля при снятом колесе.

Далее детально представлены конструктивные особенности признаков, приведенных на указанных фигурах.

На Фиг. 1 представлено мотор-колесо, где

1 - полуось автомобиля;

2 - полая ось;

3, 4 - опоры;

5, 6 - подшипники дисков колеса;

7, 8 - диски колеса;

9 - обод колеса;

10 - шина;

11, 12 - магнитопроводы;

13-16 - кольца;

17, 18 - зубцы;

19, 20 - катушки;

21, 22 - втулки статора;

23, 24 - диски статора;

25, 26 - втулки ротора;

27, 28 - диски ротора;

29 - постоянный магнит;

30 - подшипник ротора быстрого вращения;

31 - винт;

32 - шайба;

33 - фланец статора;

34 - стержень;

35 - ступица автомобиля;

36 - жгут;

37 - тормозной барабан;

38 - ферромагнитный элемент датчика положения ротора.

Заявленная конструкция собрана следующим образом. На полой оси 2 установлены опоры 3, 4. На них опираются магнитопроводы 11, 12, ограниченные кольцами 13-16. На магнитопроводе 11 установлено шесть зубцов 17 с коронками и с катушками 19. На магнитопроводе 12 установлено шесть зубцов 18 с коронками и с катушками 20.

На полуоси 2 установлены втулки статора 21, 22, на которых имеются диски статора 23, 24 соответственно. На полуоси 2 установлен подшипник 30, на который опирается ротор быстрого вращения с четырьмя постоянными магнитами 29.

На опоры 3, 4 установлены подшипники 5, 6 дисков колеса. На них опираются диски 7, 8 колеса, жестко связанные с ободом 9 колеса, на котором установлена шина 10.

На ободе 9 колеса установлены втулки 25, 26 ротора, связанные с дисками 27, 28 ротора соответственно. Диски 23, 24 статора и диски 27, 28 ротора чередуются в пространстве. Ротор быстрого вращения размещен симметрично относительно магнитопроводов 11, 12.

Магнитопроводы 11, 12 и зубцы 17, 18 выполнены лентой из электротехнической стали путем навивки. Зубцы 17, 18 имеют вид секторов. Катушки 19, 20, расположенные диаметрально, соединены последовательно встречно и образуют три фазы обмотки статора: А, В и С.

Подшипник 30 имеет большую ширину и является радиально-упорным для обеспечения требуемого положения ротора быстрого вращения.

Ротор быстрого вращения имеет четыре постоянных магнита 29 из высококоэрцитивного магнитотвердого материала, имеющие вид секторов (на фиг. 2 показаны закрашенными), и немагнитные сектора (на фиг. 2 не закрашены). Сектора намагничены по оси вращения и образуют на торцевых поверхностях чередующиеся полюса.

Диски 23, 24 статора имеют чередующиеся секторы из магнитомягкого материала (на фиг. 3 показаны темными) и немагнитного материала (на фиг. 3 светлые). Магнитные элементы выполнены шихтованными из электротехнической стали.

Диски 27, 28 ротора имеют чередующиеся секторы из магнитомягкого материала (на фиг.4 показаны темными) и немагнитного материала (на фиг. 4 светлые). Магнитные элементы выполнены шихтованными из электротехнической стали.

Количества ферромагнитных элементов дисков статора z_c и ферромагнитных элементов дисков ротора z_p, приходящихся на одно полюсное деление, отличаются на единицу. На фиг. 3, 4 показан случай, когда число пар полюсов p=2, z_c=24, z_p=20.

На торцевых поверхностях коронок зубцов 17, 18 имеются клиновидные выступы (на фиг. 5 показаны темным цветом). Их угловое положение и количество соответствуют ферромагнитным элементам дисков 23, 24 статора.

Мотор-колесо работает следующим образом. При подаче на обмотку статора трехфазной системы напряжений возникает вращающееся магнитное поле с четырьмя полюсами. Оно увлекает за собой ротор быстрого вращения с постоянными магнитами. Вместе с ним вращаются области большой магнитной индукции в дисках статора и ротора. В результате ротор вместе с ободом поворачиваются так, что места совпадения положений ферромагнитных элементов дисков статора и соответствующих ферромагнитных элементов дисков ротора находятся в зонах максимума модуля магнитной индукции.

За половину периода напряжения питания T/2=π/ω ротор быстрого вращения повернется на угол π/2, а места максимума модуля магнитной индукции повторятся. При этом ротор должен повернуться на один сектор, т.е. на угол 2π/z_p.Следовательно, магнитный редуктор имеет передаточное отношение Zp/4. Поэтому скорость вращения ротора будет ω_м=2ω/z_p.Здесь ω -угловая частота напряжения питания. Момент ротора, действующий на обод колеса, М_o=z_pМ_б/2, М_б - момент ротора быстрого вращения.

Наличие нескольких дисков статора и ротора вызывает многократную деформацию магнитного поля в зоне дисков, что увеличивает развиваемый момент и позволяет улучшить массогабаритные показатели мотор-колеса.

На торцевых поверхностях коронок зубцов 17, 18, обращенных к активной зоне, имеются клиновидные выступы в виде секторов, повторяющие по форме и количеству ферромагнитные элементы дисков статора, что увеличивает развиваемый момент.

На фиг. 5 показаны зубцы с обмотками и с выступами на коронках (показаны темным цветом).

Ферромагнитные элементы дисков статора и ротора медленного вращения выполнены из электротехнической стали шихтованными для уменьшения потерь в стали на вихревые токи, поскольку в процессе работы магнитная индукция в секторах изменяется (Фиг. 6).

Передача момента от ротора быстрого вращения к ротору является упругой - через магнитное поле. При увеличении момента нагрузки на мотор-колесо оно отстает на некоторый угол от положения, соответствующего холостому ходу.

Мотор-колесо не имеет механических контактов между подвижными активными частями, бесшумно в работе, имеет большой срок службы, определяемый подшипниками, допускает ударные нагрузки, так как связь между роторами осуществляется через магнитное поле.

Удельная энергия магнитного поля определяется выражением

При линейной кривой размагничивания максимальная энергия постоянного магнита достигается при условии равенства магнитных сопротивлений постоянного магнита и нагрузки, которой являются зазоры между дисками статора и ротора. Это равенство выполняется, если толщина магнита равна сумме длин зазоров между дисками, т.е. при выполнении равенства h_M=2mδ,

где δ - зазор между дисками, m - число дисков ротора. За счет этого заявленный электродвигатель имеет повышенные энергетические показатели.

Благодаря установке подшипника 30 ротора быстрого вращения на полой оси 2 упрощается конструкция, т.к. вал быстрого вращения отсутствует. Ротор быстрого вращения усиливает поле, созданное обмоткой двигателя, и передает момент транзитом от статора к магнитному редуктору.

Благодаря размещению ротора быстрого вращения посередине и размещению зубцов с катушками на втором магнитопроводе получается симметричная магнитная система и полностью снимаются осевые усилия. Подшипники 5, 6, 30 нагружены лишь радиальными усилиями, что снижает напряжение трогания мотор-колеса, а также повышает его надежность.

Центральное размещение ротора быстрого вращения с постоянными магнитами снижает магнитный поток рассеяния в магнитном редукторе приблизительно в четыре раза.

На фиг. 7 показана схема замещения магнитной системы при одной обмотке и несимметричном расположении постоянных магнитов. Здесь F_M -магнитодвижущая сила (МДС) постоянного магнита; R_M - магнитное сопротивление постоянного магнита; R₀ - магнитное сопротивление участка магнитной цепи; R_σ - магнитное сопротивление потока рассеяния этого участка. Магнитное напряжение U_м постоянного магнита зависит от его магнитного потока Ф_м:

U_м=F_м-R_мФ_м.

Магнитный поток определяется суммой полезного магнитного потока, имеющего осевое направление, и потоков рассеяния:

Ф_м=Ф₀+Ф_σ.

Здесь поток рассеяния Ф_σ определяется полной МДС постоянного магнита и шестью сопротивлениями рассеяния, включенными параллельно.

На фиг. 8 показана схема замещения магнитной системы предлагаемого мотор-колеса с симметричным расположением постоянных магнитов.

Середина постоянного магнита имеет нулевой магнитный потенциал. Поэтому и МДС F_м/2, и магнитное сопротивление R_м/2, приходящиеся на одну сторону схемы замещения, в два раза меньше. Магнитный поток рассеяния Ф_σ, входящий в поток постоянного магнита, проходит с каждой стороны по трем магнитным сопротивлениям R_σ. В результате поток рассеяния приближенно в четыре раза меньше, а магнитное напряжение на постоянном магните больше, чем при несимметричном положении постоянных магнитов. Это увеличивает полезный магнитный поток, проходящий через диски статора и ротора, что увеличивает максимальный вращающий момент мотор-колеса.

Мощность потерь в обмотке, приходящаяся на один торец мотор-колеса, в два раза меньше, чем в случае одной обмотки. Это облегчает охлаждение и снижает температуру обмоток, что повышает их надежность.

Таким образом, в результате симметричного расположения ротора быстрого вращения с постоянными магнитами, расположения на втором магнитопроводе шести зубцов с катушками получено мотор-колесо, имеющее повышенные энергетические характеристики и повышенную надежность.

На фиг. 9 показана ступица 35 с коническими стержнями 34, насаженная на полуось 1 автомобиля. В полуоси 1 автомобиля имеется резьба для крепления мотор-колеса с помощью винта 31 и шайбы 32.

Установка колеса проводится в следующем порядке. Полая ось 2 надевается на полуось 1 автомобиля, при этом отверстия на фланце 33 статора надеваются на выступающие из ступицы 35 стержни 34. Замыкается жгут 36 питания катушек 19, 20 обмотки якоря. Отверстие в оси 2 закрывается шайбой 32, вставляется винт 31 и заворачивается в резьбу в полуоси 1 автомобиля.

Для снятия колеса достаточно отвернуть винт 31 и снять полую ось 2 с полуоси 1 автомобиля, разомкнув жгут 36 питания катушек 19, 20 обмоток.

Таким образом, в результате введения ротора быстрого вращения в виде диска с постоянными магнитами, чередующихся дисков ротора и статора, состоящих из ферромагнитных и немагнитных элементов в виде секторов, выполнения магнитопроводов в виде двух колец с накладными зубцами с катушками, выполнения на торцевых поверхностях коронок зубцов клиновидных выступов, которые совместно с ферромагнитными элементами дисков статора, а также ферромагнитные элементы дисков ротора имеют свои одинаковые угловые размеры и положения, получено мотор-колесо с повышенным вращающим моментом, с улучшенными энергетическими показателями, с простой технологичной конструкцией, допускающей большие скорости вращения и надежную работу.

В результате введения фланца статора с отверстиями, совпадающими с коническими стержнями на ступице автомобиля, ускоряется процесс монтажа и демонтажа мотор-колеса с помощью винта и шайбы.